Une équipe de scientifiques de Texas A&M Engineering, de l’Université du Delaware et de l’Université Rutgers a découvert que les acides aminés (résidus) constituant les protéines contenues dans les gouttelettes interagissent de bien plus de manières qu’on ne le pense actuellement. Ces interactions, montrent-ils, facilitent l'assemblage des protéines et, éventuellement, la séparation des phases liquide-liquide en gouttelettes.

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Nature Chemistry .

Leurs travaux constituent une étape vers l'élargissement de la compréhension de la biologie cellulaire, le développement de traitements pour des maladies impliquant des agrégats de protéines pathologiques, comme la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson, et la création de nouveaux matériaux souples issus de la bio-ingénierie.

La découverte récente de gouttelettes liquides dans des cellules vivantes a été faite pour la première fois dans les cellules germinales d'un ver vivant dans le sol, Caenorhabditis elegans (C. elegans). Au sein de l'embryon du ver, des structures sans membrane appelées granules P remplissent des fonctions reproductives essentielles. En approfondissant leur recherche, les enquêteurs ont découvert que les granules de P manquaient de membranes et pouvaient s'égoutter, se regrouper ou se dissoudre, présentant des caractéristiques similaires à celles des liquides. De plus, ces granules de P pourraient conserver leur intégrité dans le cytoplasme gélatineux, un peu comme des gouttelettes d'huile dans l'eau.

"Il y a eu un changement fondamental en 2009 dans la réflexion sur la compartimentation cellulaire en termes d'émergence de structures ressemblant à des gouttelettes", a déclaré le Dr Jeetain Mittal, professeur au département Artie McFerrin de génie chimique et auteur principal. "La plupart des biologistes ont commencé à accepter que la séparation de phases n'est pas l'exception mais la règle selon laquelle les cellules biologiques compartimentent les unités fonctionnelles autres que les organites liés à la membrane."

Mais comment seules des protéines spécifiques qui se déplacent dans le cytoplasme aux côtés de millions d’autres s’assemblent-elles en gouttelettes fonctionnelles ? Les preuves indiquent que les protéines intrinsèquement désordonnées ou celles dépourvues d’une structure tridimensionnelle ordonnée peuvent être essentielles à la séparation des phases. Cependant, les interactions entre les protéines désordonnées orchestrant la séparation de phases doivent encore être entièrement définies.

"Nous n'avons toujours pas une idée très claire des acides aminés présents dans les régions désordonnées qui constituent la force motrice de la séparation des phases", a déclaré Shiv Rekhi, étudiant diplômé du laboratoire de Mittal et auteur principal. "Nous voulions sortir des règles établies, tout en montrant la séparation des phases, puis quantifier la contribution de chaque acide aminé au processus."

Pour leurs recherches, l’équipe a utilisé une protéine synthétique désordonnée dont les séquences d’acides aminés rappellent les protéines naturelles. Les chercheurs ont ensuite créé des variantes de protéines en supprimant ou en ajoutant un type spécifique d’acide aminé et ont évalué si la condensation en gouttelettes se produisait toujours. Avec leurs collaborateurs, ils ont réalisé des expériences de microscopie et de turbidité pour évaluer la nature physique de la gouttelette enrichie en protéines. Enfin, à l'aide de simulations à grande échelle, Rekhi a exploré comment les interactions atomiques entre les acides aminés au sein de la séquence protéique se traduisaient par la formation de gouttelettes liquides observées expérimentalement.

"Une opinion répandue est que la tyrosine et/ou l'arginine sont nécessaires à la séparation des phases. Nous avons testé cela directement en créant des variantes protéiques où nous avons éliminé ces résidus, et nous avons quand même obtenu une séparation des phases", a déclaré Rekhi. "Cette expérience et bien d'autres nous ont montré que la séparation de phases peut se produire sans beaucoup de résidus que les gens jugent nécessaires."

Les chercheurs ont découvert que toutes les 12 variantes de protéines, sauf une, présentaient une séparation de phase, soulignant la présence de multiples interactions entre les résidus d'acides aminés constituant la protéine désordonnée.

"Pendant un certain temps, les spécialistes du domaine ont supposé qu'un ensemble limité de règles pouvaient décrire la formation de gouttelettes. Nous avons montré que tout ce qui concerne la séquence protéique compte", a déclaré Mittal. "Notre article établit que le langage moléculaire de la séparation de phases est beaucoup plus riche et complexe."

Parmi les autres contributeurs à la recherche figurent Cristobal Garcia Garcia et le Dr Kristi L. Kiick de l'Université du Delaware ; Mayur Barai et le Dr Benjamin Schuster de Rutgers, l'Université d'État du New Jersey.